- •Тема 9. Метод конечных элементов
- •Связь метода сеток (МС) и метода конечных элементов (МКЭ)
- •Пример решения одномерной задачи
- •Базис из финитных функций- крышек
- •Стандартная финитная функция- крышка
- •Функции базиса
- •проекционные уравнения
- •1) Правая часть
- •2) Первый член дифференциального оператора
- •Смежные базисные функции
- •Первый член (продолжение)
- •Первый член (продолжение)
- •3) Второй член дифференциального оператора
- •Смежные базисные функции
- •4)Третий член дифференциального оператора
- •Сложив и приведя подобные члены, получаем конечно-разностную схему
- •Решение двухмерной задачи на треугольной сетке
- •Решение ищем в виде разложения по финитным функциям, привязанным к узлам
- •Финитная функция на треугольных конечных элементах
- •Конечно-разностная схема двумерной задачи
- •Конечно-разностная схема
- •Решение методом итераций
- •Конец
Смежные базисные функции
i-1 |
ui-1 |
i |
i+1 |
|
uk |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
xi-1 |
|
|
xi |
|
xi+1 |
|
|
|
|
|
|
uN ( x) u ( x) ... u |
|
i 1 |
( x) u |
( x) u |
|
( x) ... u |
N |
|
N |
( x) |
||
1 1 |
i |
1 |
|
i i |
i 1 i 1 |
|
|
|
||||
06/25/19 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
11 |
|
Первый член (продолжение)
N |
|
b |
|
k i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
uk g( x) |
dx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
x |
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
k 1 |
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
xi |
|
|
i 1 |
i |
|
|
|
|
|
xi 1 |
|
i |
i dx |
|
xi 1 |
|
i 1 |
i dx |
||||||||||
u |
|
|
g( x) |
dx u |
|
g(x) |
u |
|
g(x) |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
i 1 |
|
|
x |
x |
|
|
|
|
i |
|
x x |
|
|
i 1 |
|
x |
x |
|||||||||||||
u |
|
xi 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
xi 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
xi |
|
|
|
||
|
xi |
g( x)( 1 ) 1 dx u |
xi 1 |
g( x) 1 1 dx u |
xi 1 |
g( x) 1 ( 1 )dx |
|
|||||||||||||||||||||||
i 1 |
|
|
|
h h |
|
|
|
|
|
|
|
|
h h |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
h |
h |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i 1 |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
xi 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
xi 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
xi |
|
|
|
|
|
|
||
|
1 |
|
xi |
|
|
|
|
|
1 |
xi 1 |
|
|
|
1 |
xi 1 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
ui 1 |
g( x)dx ui |
|
g( x)dx ui 1 |
|
g(x)dx |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
2 |
2 |
2 |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
h |
x |
|
|
|
|
|
h |
|
x |
|
|
|
|
h |
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
i 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
i 1 |
|
|
|
|
|
|
|
i |
|
|
|
|
|
|
|
||
06/25/19 |
12 |
Первый член (продолжение)
• Обозначим .
|
g |
1 xi |
gdx ; g( x |
); g |
|
|
1 xi 1 |
gdx ; g( x ) |
|
i 1/ 2 |
h x |
i 1/ 2 |
|
i 1/ 2 |
|
h x |
i 1/ 2 |
|
|
|
|
|
||||
• |
|
i 1 |
|
|
|
|
i |
|
получим |
|
|
|
|
|
|
||
b x 0
g( x)
|
N |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
u |
|
|
|
g |
i 1/ 2 |
|
|
|
|
g |
i 1/ 2 |
g |
i 1/ 2 |
|
|
g |
i 1 / 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
( x)dx |
|
u |
|
|
|
|
u |
|
|
u |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
i |
|
|
|
i 1 |
|
|
|
|
|
i |
|
|
|
|
i 1 |
|||
x |
|
|
h |
|
|
|
h |
|
|
|
h |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
06/25/19 |
13 |
3) Второй член дифференциального оператора
b |
|
|
N |
|
|
|
|
|
N |
|
|
b |
|
|
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
q( x) u |
|
|
( x)dx |
|
|
u |
k |
q( x) |
|
( x)dx |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
x |
i |
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
0 |
|
|
|
|
|
|
k 1 |
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
xi |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
xi 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
xi 1 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
u |
|
q( x) |
i 1 |
|
dx u |
|
|
|
q(x) |
i |
|
dx u |
|
|
|
q(x) |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
i 1 |
|
|
|
|
|
|
|
i |
|
|
|
i |
|
|
|
|
|
|
i |
|
|
|
i 1 |
|
|
|
|
|
|||
u |
xi 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
xi 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
xi |
|
|
||||
xi |
q( x)( 1 ) x xi 1 dx u |
xi 1 |
q( x) i dx u |
|
xi 1 |
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
h |
|
h |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
i 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i |
|
|
i |
|
|
|
i 1 |
||||||||||||
xi 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
xi 1 |
|
|
|
|
|
|
|
xi |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Вычислив приближенно интегралы, получим
i 1 idxx
q( x) 1 xi 1 x )dx h h
b |
uN |
( x)dx ; |
|
|
q( x |
) |
|
q( x |
) q( x |
) |
|
|
q( x |
) |
|
q( x) |
|
|
u |
|
i 1/ 2 |
|
u |
i 1/ 2 |
i 1 / 2 |
|
|
u |
i 1/ 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
x |
i |
|
i 1 |
2 |
|
i |
|
2 |
|
|
i 1 |
2 |
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
06/25/19 |
14 |
Смежные базисные функции
i-1 |
i |
|
i+1 |
|
xi-1 |
xi |
xi+1 |
06/25/19 |
15 |
4)Третий член дифференциального оператора
b |
|
N |
|
|
|
|
N |
|
b |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k |
|
k |
|
i |
|
|
|
||
|
|
i |
( x)dx |
u |
p( x) |
|
( x)dx |
||||||||||
p( x)u |
|
|
|
|
|
( x) |
|||||||||||
0 |
|
|
|
|
|
|
k 1 |
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
xi |
|
|
|
|
|
|
|
xi 1 |
|
|
|
|
|
xi 1 |
||
ui 1 p( x) i 1 idx ui |
|
p( x) i idx |
ui 1 |
||||||||||||||
|
xi 1 |
|
|
|
|
|
|
|
xi 1 |
|
|
|
|
|
xi |
||
|
xi |
|
|
xi x |
|
x xi 1 |
|
|
xi 1 |
p( x) 2dx |
|||||||
u |
|
p( x) |
|
|
dx u |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
||||||||||||||
i 1 |
|
|
h |
h |
|
|
|
i |
|
|
|
|
i |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
xi 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
xi 1 |
|
|
|
|
|
Вычислив приближенно интегралы, получим
p( x) i 1 idx |
|
|
|
|||
|
xi 1 |
|
x xi |
|
xi 1 x |
|
ui 1 |
|
p( x) |
h |
|
h |
)dx |
|
|
|
|
|||
xi
b |
N |
|
|
|
|
hp( x |
) |
|
h q( xi 1/ 2 ) q( xi 1/ 2 ) |
|
|
|
hq( x |
) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
i 1/ 2 |
|
|
|
|
|
|
i 1/ 2 |
|
||
p( x)u |
|
|
( x)dx u |
|
|
u |
|
u |
|
|
||||
|
6 |
|
3 |
6 |
|
|||||||||
|
|
i |
|
i 1 |
|
i |
|
i 1 |
|
|||||
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
06/25/19 |
16 |
Сложив и приведя подобные члены, получаем конечно-разностную схему
aiui 1 biui ciui 1 di , i 2...n, |
u1 , |
u |
N . |
||||||||||||
a gi 1/ 2 |
|
qi 1/ 2 |
hpi 1/ 2 |
|
|
|
|||||||||
i |
h |
|
2 |
|
|
6 |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
c gi 1/ 2 |
|
qi 1/ 2 |
|
hpi 1/ 2 |
|
|
|
||||||||
i |
h |
|
|
2 |
|
|
|
6 |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
b |
gi 1/ 2 gi 1/ 2 |
|
qi 1/ 2 qi 1/ 2 |
|
h( pi 1/ 2 pi 1/ 2 ) |
|
|
|
|||
i |
h |
2 |
3 |
||
|
|||||
06/25/19 |
17 |
Решение двухмерной задачи на треугольной сетке
•Задача Дирихле
|
|
u |
|
|
|
u |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
g |
|
g |
f |
u |
|
UГ( ) |
||||
|
|
|
|
|
||||||
|
|
x |
|
y |
|
y |
|
|
Г |
|
|
|
|
||||||||
x |
|
|
|
|
|
|
||||
06/25/19 |
18 |
Решение ищем в виде разложения по финитным функциям, привязанным к узлам
треугольной сетки |
|
|
|
|
N |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
uN |
uk k (x, y) |
|
|
k ,k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k 1 |
|||
|
2 |
(xy), (xy) |
|
|
|
|
, |
|
|||||||
|
|
1 |
|
k ,k1,k2 |
|
||||||||||
|
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
........................................... |
|
|||||||||||||
|
|
k |
|
|
|
,k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m 1 |
m (xy), (xy) |
|
|
|
, |
|
|||||||
(xy) |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
k |
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
k ,km 1 ,km |
|
|||
|
|
k |
|
,k |
|
|
(xy) k ,k |
|
,k , |
|
|||||
|
k m |
1 (xy), |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
xy |
. |
|
|
m |
|
1 |
|
|||
|
0, |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
kij 1 kij ( x xk ) kij ( y yk ).
06/25/19 |
19 |
Финитная функция на треугольных конечных элементах
определим кусочно-линейную функцию |
kij (xy) |
, которая в |
|
|
|||||||||
точке Pk равна единице, а в точках Pi, Pj равна нулю |
|
|
|
||||||||||
1 |
x x |
|
y y j |
|
|
|
|
|
|||||
x |
|
i |
y |
y |
|
|
|
|
|
|
|||
ij |
|
x |
|
|
1 ij ( x x ) ij ( y y |
|
). |
||||||
|
|
j |
i |
|
i |
|
j |
k |
|||||
k |
x |
|
|
x |
|
yk y j |
k |
k |
k |
|
|||
1 |
k |
|
|
|
|
|
|
||||||
x |
i |
y |
y |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
j |
x |
|
j |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
i |
|
i |
|
|
|
|
|
|
||
kij |
ij |
; kij |
ij |
k |
k |
||
|
x |
|
y |
06/25/19 |
20 |
